邊玉國,楊永聰,郭志成

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省白銀市劉川電力提灌工程管理局，甘肅 白銀 730900)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，水資源的戰(zhàn)略地位日益凸顯，高效利用和有效管理成為世界各國水資源關(guān)注的焦點。作為農(nóng)業(yè)大國，我國的水利建設(shè)現(xiàn)代化勢在必行。

泵站作為一種重要水能利用工程，對我國地方經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。我國農(nóng)田灌區(qū)大多數(shù)泵站已運行了幾十年，在灌溉、防洪抗災(zāi)方面發(fā)揮了巨大的作用，但在技術(shù)水平，工程質(zhì)量、管理以及經(jīng)濟效益等方面相對落后。這些運行多年的泵站，已難以滿足水利行業(yè)信息化建設(shè)的要求，急需自動化改造。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)按照“無人值班(少人值守)”的原則進行設(shè)計和配置。系統(tǒng)采用全開放、分布式模塊化的冗余結(jié)構(gòu)，以“分層控制、集中管理”為原則，采用“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”的“四遙”功能配置，結(jié)合先進計算機技術(shù)，實現(xiàn)自動化控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用集散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為主控級、就地級。主控級和就地級采用快速10 MB/100 MB工業(yè)以太網(wǎng)，每個泵站監(jiān)控系統(tǒng)除能獨立運行外，還同時與灌區(qū)遠程管理級的梯級泵站聯(lián)網(wǎng)調(diào)度管理中心連接。

主控級設(shè)于泵站控制室內(nèi)，設(shè)計采用1臺主控計算機和1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，以雙機熱備用冗余方式運行，設(shè)置1套不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)電源，供主控計算機、數(shù)據(jù)服務(wù)器等使用，同時配置輔助和外圍設(shè)備。主控級完成對泵站的就地監(jiān)測、控制，是整個泵站的集成管理核心，也是未來聯(lián)網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)集成功能實現(xiàn)的核心。

根據(jù)灌區(qū)泵站特點，每個泵站就地級采用現(xiàn)地控制單元(local control unit,LCU)，由高性能可編程控制器及觸摸屏等組成，直接面向生產(chǎn)過程，負責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)視和控制。就地級接收生產(chǎn)現(xiàn)場各種設(shè)備和傳感器的輸入信息，并上傳實時信息給主控級；同時，接收上級控制主機的控制命令，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)進行邏輯控制[4]。

為了確保監(jiān)控系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，泵站設(shè)計為獨立運行的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。主控級和就地級采用以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，就地級與就地傳感層設(shè)備組成MODBUS現(xiàn)場工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)。微機保護裝置和直流電源系統(tǒng)通過RS-485串行通信方式與就地級進行通信；信號傳感器通過RS-485串行通信接口或4～20 mA輸出與就地級連接。

主控級系統(tǒng)設(shè)于泵站廠房中控室內(nèi)，通過工作站監(jiān)控系統(tǒng)人機界面，顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)與狀態(tài)；同時，下發(fā)控制和調(diào)節(jié)命令，監(jiān)視就地控制單元對命令的執(zhí)行。主控級、就地級連接圖和計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3所示[5]。

圖2 主控級、就地級連接圖

圖3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號采集是控制系統(tǒng)的“眼睛”?？茖W(xué)合理地設(shè)計信號采集，是實現(xiàn)整個泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。泵站監(jiān)控系統(tǒng)的信號采集設(shè)計如下[6]。

①電氣量信號(電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)和頻率)測量，通過微機綜合保護裝置進行測量、采集；輸出采用MODBUS RS-485協(xié)議，利用PLC串行通信模塊進行集中監(jiān)控。

②出水管道流量采用管道式電磁流量計進行測量，輸出采用4～20 mA模擬量和MODBUS RS-485協(xié)議，通過PLC模擬量輸入模塊進行瞬時流量的采集；通過PLC串行通信模塊進行累計流量的采集。

③出水管道壓力采用壓力變送器進行測量，輸出采用4～20 mA模擬量，通過PLC模擬量輸入模塊進行采集。

④LCU主要完成對整個泵站機組及其輔機的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。其設(shè)計必須保證當(dāng)它與管理級上位機系統(tǒng)脫離后，仍能實現(xiàn)對有關(guān)設(shè)備的監(jiān)視和控制功能。

⑤各泵站主控級配置5 kV在線式UPS，為主控計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)校時裝置、打印機提供可靠不間斷電源。

⑥泵站采用防雷擊、抗干擾能力強的防雷系統(tǒng)。除了泵站自身建筑物采用避雷針避防直擊雷外，還從設(shè)計上配置了電源和信號避雷設(shè)備，以防感應(yīng)雷對核心設(shè)備的破壞。

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

為了實時了解泵站就地設(shè)備和參數(shù)的運行狀態(tài)，必須對其采集和處理[7]，具體包括以下幾方面內(nèi)容。

①模擬量的采集與處理；

②SOE開關(guān)量的采集與處理；

③狀態(tài)開關(guān)量的采集與處理；

④脈沖量的累計與處理。

2.2 運行監(jiān)視和事故報警

泵站實時采集設(shè)備、參數(shù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)將會在人機界面中顯示、記錄。當(dāng)出現(xiàn)不合理狀況時，泵站發(fā)出相應(yīng)聲光信號，可提醒工作人員注意并作出相關(guān)決策，具體包括以下幾方面內(nèi)容[8]。

①運行實時狀態(tài)監(jiān)視；

②參數(shù)越限報警記錄；

③故障狀態(tài)顯示記錄。

2.3 控制與調(diào)節(jié)

當(dāng)泵站實時采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正?；蛟较迺r，監(jiān)控人員將會作出相應(yīng)決策，下發(fā)控制和調(diào)節(jié)命令，改變就地設(shè)備的運行狀態(tài)。相應(yīng)控制和調(diào)節(jié)對象主要有變壓器、電容器、水泵機組、輔機、進出水電動閘閥等。其中，輔助電器主要為真空泵、排污泵、通風(fēng)機、行車等。

出水壓力的調(diào)節(jié)通過電動閘閥開度控制水泵機組的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，并根據(jù)出水流量的大小進行出水壓力調(diào)節(jié)。

2.4 人機界面

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控操作采用最新圖形圖像技術(shù)，動態(tài)模擬現(xiàn)場運行工況的畫面進行人機交互。監(jiān)控軟件操作畫面主要包括泵站工況模擬圖、泵站電氣主接線圖、泵站輔機工況圖、泵站直流系統(tǒng)圖、泵站主要工藝參數(shù)趨勢圖、系統(tǒng)報警圖、操作日志、系統(tǒng)管理、打印設(shè)置等人機界面[9-10]。

泵站工況模擬圖為泵站計算機系統(tǒng)的主運行畫面。該畫面實時顯示各機組開關(guān)、運行狀態(tài)、機組溫度、前后池水位、出水管道流量、出水管道壓力、電動閥門開關(guān)位置及運行狀態(tài)、站揚程、統(tǒng)計泵站抽水流量、日抽水流量和站效率等參數(shù)。

泵站電氣主接線圖畫面實時反映了泵站高壓進線、站變、低壓出線、母聯(lián)、電容器的工作狀態(tài)和各種電氣參數(shù)。泵站各臺機組的電氣參數(shù)包括電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數(shù)、站日用電量等。

泵站輔機工況圖實時監(jiān)視泵站各個排污泵、真空泵和通風(fēng)機組的開關(guān)和運行狀態(tài)；同時，實現(xiàn)對各個輔機的遠程控制。

泵站直流系統(tǒng)圖實時監(jiān)視直流系統(tǒng)的合閘母線電壓、控制母線電壓、蓄電池巡檢參數(shù)、絕緣監(jiān)測參數(shù)、各饋路輸出電流、交直流輸入/輸出狀態(tài)及故障等參數(shù)，并以圖形直觀地實時顯示。

泵站主要工藝參數(shù)趨勢圖主要是對泵站的機組溫度、出水管道壓力、出水管道流量等參數(shù)進行時間趨勢曲線的跟蹤。

3 結(jié)束語

為了促進泵站管理工作的現(xiàn)代化，本文設(shè)計了一套灌區(qū)泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過兩級設(shè)置、工業(yè)以太網(wǎng)、簡單易懂的人機交互界面，實現(xiàn)了對灌區(qū)泵站設(shè)備和運行狀態(tài)的自動監(jiān)控，改變了過去落后的人工監(jiān)測方式，為運行人員及時、準確、全面地掌握設(shè)備狀況和參數(shù)變化、及時處理故障提供了保障。